Die Zukunft der Mobilität – Batterietechnologie

Der Aufstieg von Elektrofahrzeugen

When Tesla (TSLA ) was founded in 2003, the idea of electric cars was mostly seen as a joke. At that point, every electric car had been essentially a glorified golf cart with poor battery range, low comfort, small size, and very low top speed.

Der Tesla Roadster (1^st Generation, wie eine neue Version für 2026 erwartet wird) veränderte diese Wahrnehmung vollständig, mit der Leistung eines Luxus‑Sportwagens, wodurch Elektroautos (EVs) plötzlich cool wurden.

Der entscheidende Faktor, der Elektrofahrzeuge plötzlich praktikabel machte, war der Fortschritt in der Batterietechnologie. Anfangs basierte dies auf Lithium‑Ionen‑Batterien, die für den kleinen Elektronikmarkt entwickelt wurden. Und bald wurden speziellere Systeme entwickelt, um Elektrofahrzeugen mehr Reichweite zu geben.

Aus einem geringen Volumen selbst im Jahr 2016 sind Elektroautos (EVs) heute ein exponentiell wachsender Teil des globalen Verkaufs, mit über 10 Millionen verkauften Elektroautos im Jahr 2022, also 14 % des weltweiten Verkaufs, wobei China und Europa führend sind.

Globale EV‑Verkäufe – Quelle: IEA

Dennoch bleiben trotz dieses Fortschritts einige Fragen zur Akzeptanz von Elektrofahrzeugen offen. Der EV‑Verkauf hat sich angesichts hoher Inflation und der Notwendigkeit, die breite Öffentlichkeit – nicht nur Frühadopter – zu überzeugen, verlangsamt. Dies führte kürzlich zu der Verschiebung oder Stornierung der EV‑Strategie großer Hersteller wie GM, Ford oder Honda.

Die aktuellen Einschränkungen

Frühe EV‑Enthusiasten waren glücklich, Fahrzeuge zu nutzen, die kohlenstoffneutraler sein konnten und eine neue Technologie darstellten. Weniger umweltbewusste Käufer sind jedoch nach wie vor etwas skeptisch gegenüber Elektrofahrzeugen aus verschiedenen Gründen:

• Preis: Die meisten Elektrofahrzeuge kosten immer noch mehr als ihre Pendants mit Verbrennungsmotor. Steigende Zinsen können Elektrofahrzeuge für viele Menschen zu teuer machen.
• Reichweitenangst: Eine Möglichkeit, den Preis eines Elektrofahrzeugs zu senken, besteht darin, die kleinere Batteriekapazität zu wählen. Aber dann kann die geringere Reichweite lange Fahrten erschweren, und die Ladezeit kann ebenfalls lang sein.
• Kälteempfindlichkeit: Je kälter das Klima, desto schädlicher ist es für Batterien. Die meisten Elektrofahrzeuge müssen in Winternächten geladen werden, wenn sie nicht in einer warmen Garage stehen. Außerdem reduziert Kälte die theoretische Reichweite von Elektrofahrzeugen.
• Ladeinfrastruktur: Menschen, die in Wohnungen leben, könnten Schwierigkeiten haben, ihre Elektrofahrzeuge aufzuladen, wenn nicht genügend öffentliche Ladestationen verfügbar sind. Lange Warteschlangen, langsames Laden oder keine nahegelegenen Stationen können zu einer schlechten Erfahrung führen.
• Batteriesicherheit & Haltbarkeit: Lithium‑Ionen‑Batterien speichern viel Energie. Und die Elektrolyte in der Batterie sind sehr entflammbar. Das macht Batterien potenziell zu einer Sicherheitsgefahr, besonders in geschlossenen Umgebungen wie Tiefgaragen. Nicht dass Verbrennungsmotoren nicht entflammbar wären, aber es bleibt ein Problem.
• Stromnetz: Obwohl dies für EV‑Käufer nicht wirklich ein Problem darstellt, kann es für den Sektor insgesamt ein Problem werden. Stromnetze sind bereits teilweise überlastet und könnten Schwierigkeiten haben, Millionen von Fahrzeugen, die aufgeladen werden müssen, zu bewältigen. Die Herkunft des Stroms ist ebenfalls ein Problem, da ein großer Teil aus fossilen Brennstoffen, einschließlich Kohle, stammt.

Die meisten Probleme der aktuellen Elektrofahrzeuge können mit besseren Batterien gelöst werden. Langsames Laden, zu geringe Reichweite, Sicherheitsprobleme, Kälteempfindlichkeit und sogar der Preis sind alles Eigenschaften der derzeitigen Lithium‑Ionen‑Batterien.

Forscher und Branchenführer arbeiten intensiv daran, diese Mängel zu beheben, entweder durch Verbesserung des bestehenden Designs oder durch Erfindung völlig neuer Batteriebauweisen.

Insgesamt bedeuten dichtere Batterien günstigere, sicherere Batterien, die zudem eher länger halten und schneller geladen werden können.

Verbesserung von Lithiumbatterien

Der erste Schritt besteht darin, die bestehenden Batterien zu verbessern und das umfangreiche Wissen sowie die Erfahrung mit dieser Technologie zu nutzen. Einige Forscher sehen die aktuelle Batteriegeneration noch bis 2030 schrittweise verbesserungsfähig: „Perspektiven für Lithium‑Ion‑Batterien und darüber hinaus – eine Vision für 2030“.

Der erste Teil besteht darin, den Kathoden-Teil der Batterie zu verbessern, der derzeit hauptsächlich aus Lithium und Nickel in Lithium‑Ion‑Batterien besteht. Ein tieferes Verständnis der kristallinen Struktur und der chemischen Veränderungen im Alterungsprozess einer Batterie könnte alle Spezifikationen der Batterien verbessern.

Anoden, die derzeit aus Graphit bestehen, könnten durch 5‑ bis 10‑mal energiedichteres Silizium oder Siliziumoxid ersetzt werden. Bisher war das schwierig, da Siliziumanoden zu schnell „altern“. Graphit‑Silizium‑Mischungen werden bereits häufiger und könnten die Gesamtspeicherkapazität der Batterien erhöhen.

Die Veränderung der Elektrolyte, die Anode und Kathode verbinden, könnte ebenfalls helfen. Neue Arten von flüssigen Lösungsmitteln, stärker konzentrierte Elektrolyte oder vielleicht sogar gelartige Elektrolyte könnten das Sicherheitsprofil verbessern und die Batteriedichte erhöhen.

Schließlich ist ein besseres Design eine Option, um die Beziehung zwischen Batterien und Elektrofahrzeugen zu optimieren. Viele EV‑Hersteller beginnen, sogenannte Strukturbatterien zu verwenden, die sowohl Energiespeicher als auch strukturelle Komponenten des Fahrzeugs sind. Dies kann das Gesamtgewicht des Autos reduzieren, was zu mehr Effizienz und Reichweite führt. Rolls‑Royce, Tesla und Volvo arbeiten bereits an dieser Idee, die die Reichweite um 16 % erhöhen könnte.

Festkörperbatterien

Lange theoretisiert und langsam in Laboren zur Realität geworden, werden Festkörperbatterien oft als der Heilige Gral der Batterietechnologie bezeichnet.

Die Idee besteht darin, die Notwendigkeit flüssiger Elektrolyte vollständig zu entfernen, wodurch das Gewicht der Batterie stark reduziert und die Dichte dramatisch erhöht wird. Das Entfernen des entflammbaren Elektrolyts sollte die Batterie deutlich sicherer machen. Das Entfernen des Elektrolyts sollte auch den Produktionsprozess vereinfachen; das Entfernen von bis zu 3 Wochen in der Fertigungslinie.

Schließlich versprechen solche Designs fast vollständiges Aufladen in 3‑5 Minuten, also etwa in der gleichen Zeit, die ein Benzinauto zum Auftanken benötigt.

Viele Unternehmen sprechen davon, ihre eigene Version von Festkörperbatterien bereits 2026‑2029 auf den Markt zu bringen. Dazu gehören QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) und Samsung SDI (006400.KS). Derzeit arbeitet Tesla (TSLA) an einer eigenen Alternative zu Festkörperbatterien, den 4680‑Batteriezellen auf Basis der Lithium‑Ion‑Technologie.

Probleme von Festkörperbatterien

Die Entwicklung von Festkörperbatterien wurde von den Schwierigkeiten geplagt, Laborprototypen in massenproduzierte Produkte zu skalieren. Zuverlässige, automatisierte und kostengünstige Produktion ist noch in Arbeit, und der Zeitplan für das Erscheinen von Festkörperbatterien auf dem Markt liegt bestenfalls im Zeitraum 2026‑2028.

Quelle: Vertex Holdings

Schließlich werden Festkörperbatterien viel mehr Lithium verbrauchen als aktuelle Lithium‑Ion‑Batterien, was zu einer Wiederholung des im Jahr 2022 stark gestiegenen Lithiumpreises führen könnte, als er innerhalb von 2 Jahren um das Zehnfache anstieg. Das Recycling könnte ebenfalls schwierig sein.

„Kondensierte“ Batterien

Vielleicht müssen wir nicht auf Festkörperbatterien warten, um sehr dichte Batterien zu sehen. CATL hat die Entwicklung einer „condensed matter“-Batterie angekündigt, die 500 Wh/kg erreichen kann. Das Unternehmen behauptet außerdem, die Möglichkeit zu haben, die Massenproduktion in kurzer Zeit zu realisieren, was von einem Branchenführer und nicht von einem kleinen Startup glaubwürdig erscheint.

Dies ist ein Dichtegrad, von dem man zuvor dachte, er sei nur mit Festkörperbatterien erreichbar. Es ist zudem das Niveau, das erforderlich ist, um elektrische Flugzeuge und andere Anwendungen in Betracht zu ziehen, die bisher nicht elektrifizierbar waren.

Alternative Batteriekemien

Es gibt viele mögliche Alternativen zu Lithium‑Ion für die Herstellung einer Batterie. Doch nur wenige Batteriekemien werden die richtige Kombination aus Leichtgewicht, hoher Dichte und Sicherheit besitzen, um in mobilen Anwendungen geeignet zu sein.

Langfristig könnten einige dieser alternativen Batterien sogar die teureren Lithiumbatterien ersetzen, zumindest im preisempfindlichen Massenautomarkt.

Lithium‑Eisen‑(Ferrum‑)Phosphat‑Batterien – LFP

LFP‑Batterien waren lange Zeit wegen zu geringer Energiedichte nicht für Mobilitätsanwendungen geeignet, typischerweise 30‑40 % niedriger als eine klassische Lithium‑Ion‑Batterie. Die neueste Version dieser Chemie erreicht nun das Dichte‑Level von Lithium‑Ion‑Batterien früherer Generationen, wodurch sie für kostengünstige Fahrzeuge nutzbar werden.

Ein großer Vorteil von LFP ist, dass sie weder Nickel noch Kobalt benötigen, die beide für den Preis klassischer Lithium‑Ion‑Batterien verantwortlich sind. Im Gegensatz dazu sind Eisen und Phosphat reichlich vorhanden und billig. LFP‑Batterien halten zudem wahrscheinlich länger, was die Gesamtkosten des Batteriemoduls weiter senkt.

Der führende Hersteller von LFP ist das chinesische Unternehmen CATL (300750.SZ), zusammen mit BYD (BYDDF), obwohl das Unternehmen nun nach anderen Optionen sucht, um seine Position als Hersteller der Hälfte der weltweiten Batterien zu halten.

Dennoch vernachlässigt es den LFP‑Markt nicht nach der Enthüllung im August 2023 einer 700‑Kilometer‑LFP‑Batterie, die in nur 10 Minuten 400 km Reichweite wieder aufladen kann.

Natrium‑Ion

Neben Kobalt und Nickel ist Lithium die weitere kostspielige Ressource, die in Lithium‑Ion‑Batterien verwendet wird. Im Gegensatz dazu ist Natrium extrem reichlich und billig und viel weniger wahrscheinlich, regelmäßig knapp zu werden wie Lithium.

Der führende chinesische Autohersteller BYD hat seine Absicht angekündigt, Natrium‑Ion‑Batterien für seine neuen preisgünstigen Modelle Dolphin und Seagull zu verwenden, wobei das Seagull möglicherweise bereits für 10.000 $ erhältlich ist (leider nur in China).

Dies folgte der Ankündigung einer hochdichten Natrium‑Ion‑Batterie von CATL im Jahr 2021. Im November 2023 hat das europäische Unternehmen Northvolt einen Durchbruch bei Natrium‑Ion verkündet, der dieselbe Energiedichte von 160 Wh/kg wie CATL erreicht.

Obwohl etwas weniger energiedicht als LFP und deutlich weniger als Lithium‑Ion, könnte Natrium‑Ion dank eines VIEL günstigeren Preises den Massenmarkt erobern, potenziell ein Drittel des Preises aktueller Batterien mit Nickel.

Andere Chemien

Obwohl es zu lang wäre, jede einzelne zu betrachten, gibt es einige weitere potenzielle Chemien, die eines Tages ernsthafte Konkurrenten für Batterien in Mobilitätsanwendungen werden könnten. Diese Technologien befinden sich jedoch in einem früheren Stadium, sodass ihre Einführung in Elektrofahrzeuge kurzfristig unwahrscheinlich ist.

Glasbatterien

Eine faszinierende Idee, die nur sehr verbreitete Materialien nutzt und die andere Forscher bislang in ihren Laboren nur schwer reproduzieren konnten. Aber da diese Idee von Herrn Goodenough, dem Erfinder der Lithium‑Ion‑Batterie unterstützt wird, darf sie nicht verworfen werden (leider verstarb Herr Goodenough im Sommer 2023).

Graphenbatterien

Graphen, eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen, ist extrem leitfähig. Das Unternehmen Graphene Manufacturing Group (GMG.V) setzt sich für Graphen/Aluminium‑Batterien ein, die eine höhere Dichte als Lithium‑Ion besitzen könnten, dabei 70‑mal schneller laden und 3‑mal länger halten. Das Unternehmen arbeitet mit dem Bergbaugiganten (und Graphitminenbetreiber) Rio Tinto zusammen, um die Produktion in großem Maßstab für 2025 zu starten (RIO ).

Manganwasserstoff-Batterien

Diese Batterien würden Magnesium anstelle von Lithium verwenden. Diese Art von Batterie wurde als „quasi Festkörper“ beschrieben und könnte viel besser mit Temperaturen bis zu -22 °C (-7 °F) umgehen.

Lithium‑Schwefel‑Batterien

Diese Batterien würden Lithium und Schwefel anstelle von teurem Kobalt und Nickel verwenden. Auch in diesem frühen Stadium zeigen sie eine bemerkenswert hohe Energiedichte. Sie sind jedoch von Problemen hinsichtlich der Haltbarkeit geplagt und müssen deutlich langlebiger werden, um eine gute Alternative zu bestehenden Chemien zu sein.

Quelle: Vertex Holdings

Natrium‑Schwefel‑Batterien

Diese Batterien waren bisher auf Anwendungen beschränkt, bei denen die Batterie bei hohen Temperaturen (300 °C) gehalten wurde. Allerdings könnten neue Elektrolyte, die die Schwefeldissolution verhindern, diese Anforderung eliminieren. Somit könnte dies ein neuer Ansatz sein, um leistungsstarke und günstige Batterien zu finden.

Aluminium‑Ion‑Batterien

Diese Technologie ersetzt die Lithium‑Anode durch eine Aluminium‑Anode. Durch die Verwendung eines Polymerersatzes für Graphit könnten diese Batterien eine hohe Speicherkapazität erreichen.

Aluminium‑Luft

Diese „Batterien“ funktionieren, indem sie Aluminium wie einen Brennstoff verbrauchen, wodurch das Elektrofahrzeug eine höhere Reichweite als ein Verbrennungsfahrzeug (1.600 km pro Tank) erhält, mit einer deutlich dichteren Energiedichte als Lithium‑Ion (1.350 W/kg). Das macht sie zudem zu einer potenziellen Energiequelle für Elektroflugzeuge.

Das verbrauchte Aluminium kann dann innerhalb von 90 Sekunden durch frisches Aluminium ersetzt werden, und das verbrauchte „Brennstoff“ wird recycelt. Diese Technologie könnte auch mit älteren Elektrofahrzeugen kombiniert werden, um ihnen zusätzliche Reichweite zu verleihen.

Derzeit scheint die Hauptgrenze für die Entwicklung dieser Technologie darin zu liegen, dass sie keine öffentliche Unterstützung erhält, da sie weder eine echte Batterie, noch eine Brennstoffzelle oder wasserstoffbasiert ist, und somit nicht für die Förderung durch bestehende grüne Richtlinien in Frage kommt.